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1、第 10 講 有限狀態(tài)機(jī)(moore型) 設(shè)計(jì),電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化技術(shù),教 學(xué) 目 的,認(rèn)識(shí)狀態(tài)機(jī)及其特點(diǎn) 學(xué)習(xí)狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖的畫法 掌握摩爾(MOORE)型狀態(tài)機(jī)的VHDL設(shè)計(jì)法,1 什么是狀態(tài)機(jī) ?,有限狀態(tài)機(jī)(簡(jiǎn)稱狀態(tài)機(jī))相當(dāng)于一個(gè)控制器,它將一項(xiàng)功能的完成分解為若干步,每一步對(duì)應(yīng)于二進(jìn)制的一個(gè)狀態(tài),通過(guò)預(yù)先設(shè)計(jì)的順序在各狀態(tài)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換,狀態(tài)轉(zhuǎn)換的過(guò)程就是實(shí)現(xiàn)邏輯功能的過(guò)程。,2 為什么使用狀態(tài)機(jī),有限狀態(tài)機(jī)克服了純硬件數(shù)字系統(tǒng)順序方式控制不靈活的缺點(diǎn)。 狀態(tài)機(jī)的結(jié)構(gòu)模式相對(duì)簡(jiǎn)單。 狀態(tài)機(jī)容易構(gòu)成性能良好的同步時(shí)序邏輯模塊。 狀態(tài)機(jī)的VHDL表述豐富多樣,結(jié)構(gòu)清晰。 在高速運(yùn)算和控制方面,狀態(tài)
2、機(jī)更有其巨大的優(yōu)勢(shì)。 就可靠性而言,狀態(tài)機(jī)的優(yōu)勢(shì)也是十分明顯的。,3 狀態(tài)機(jī)分類,根據(jù)輸出信號(hào)產(chǎn)生的機(jī)理不同,狀態(tài)機(jī)可以分成兩類: 摩爾(Moore)型狀態(tài)機(jī)-輸出信號(hào)僅和狀態(tài)有關(guān) 米勒(Mealy)型狀態(tài)機(jī)-輸出信號(hào)和狀態(tài)、輸入信號(hào)有關(guān),用戶定義的數(shù)據(jù)類型枚舉,格式: TYPE 數(shù)據(jù)類型名 數(shù)據(jù)類型定義,枚舉類型格式: TYPE 數(shù)據(jù)類型名 IS(元素1,元素2,);,例:TYPE week IS (sun,mon,tue,wed,thu,fri,sat); TYPE colour IS (red,green,blue);,枚舉數(shù)據(jù)類型是一種特殊的數(shù)據(jù)類型,它是用文字符號(hào)來(lái)表示一組實(shí)際的二進(jìn)
3、制數(shù)。,用戶定義的數(shù)據(jù)類型枚舉,VHDL語(yǔ)言中,許多常用的數(shù)據(jù)類型,都是采用枚舉類型定義的,例:TYPE BOOLEAN IS (FALSE,TRUE); TYPE BIT IS (0, 1); TYPE std_ulogic IS ( U, - Uninitialized X, - Forcing Unknown 0, - Forcing 0 1, - Forcing 1 Z, - High Impedance W, - Weak Unknown L, - Weak 0 H, - Weak 1 - - Dont care );,4 Moore型狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)方法,摩爾型狀態(tài)機(jī)的典型結(jié)構(gòu),4 Mo
4、ore型狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)方法,More型狀態(tài)機(jī)輸出僅和狀態(tài)機(jī)的當(dāng)前狀態(tài)有關(guān),與外部輸入無(wú)關(guān),即: 外部輸出是內(nèi)部狀態(tài)的函數(shù)。 輸入信號(hào)的變化決定當(dāng)前狀態(tài)的下一狀態(tài),即次態(tài)。,狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖描述方式:,例:設(shè)計(jì)一個(gè)序列檢測(cè)器。要求檢測(cè)器連續(xù)收到串行碼1101后,輸出檢測(cè)標(biāo)志1,否則輸出0。,狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)步驟: 分析設(shè)計(jì)要求,列出全部可能狀態(tài); 畫出狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖; 用VHDL語(yǔ)言描述狀態(tài)機(jī)。,4 Moore型狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)方法,(1) 分析設(shè)計(jì)要求,列出全部可能狀態(tài): 未收到一個(gè)有效位(0):S0 收到一個(gè)有效位(1):S1 連續(xù)收到兩個(gè)有效位(11):S2 連續(xù)收到三個(gè)有效位(110):S3 連續(xù)收到四個(gè)有效位(
5、1101):S4,4 Moore型狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)方法,(2) 狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖:,1101,S0/0,S1/0,S2/0,S4/1,S3/0,1,1,0,1,0,1,0,1,0,0,4 Moore型狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)方法,4 Moore型狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)方法,(3)用VHDL語(yǔ)言描述狀態(tài)機(jī),定義狀態(tài)機(jī) 枚舉類型 狀態(tài)轉(zhuǎn)換描述 輸出信號(hào)描述,LIBRARY IEEE; USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL; ENTITY moore IS PORT( clk, data:IN STD_LOGIC; zo:OUT STD_LOGIC); END moore;,實(shí)體設(shè)計(jì),12.4 Moore型狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)方
6、法,ARCHITECTURE a OF moore IS TYPE STATE IS (S0,S1,S2,S3,S4); SIGNAL pstate :STATE; BEGIN PROCESS(clk) BEGIN IF (clkEVENT AND clk=1) THEN CASE pstate is WHEN S0= IF data=1 THEN pstate IF data=1 THEN pstate IF data=0 THEN pstate IF data=1 THEN pstate IF data=1 THEN pstate=S1; ELSE pstate=S0; END IF; E
7、ND CASE; END IF; END PROCESS; zo=1 WHEN pstate=s4 ELSE 0; END a;,定義狀態(tài)機(jī),輸出信號(hào)描述,狀態(tài)轉(zhuǎn)移描述,4 Moore型狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)方法,仿 真 波 形,4 Moore型狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)方法,練習(xí):位于十字路口的交通燈,在A方向和B方向各有紅、黃、綠三盞燈,每10秒變換一次。變換順序如下表:,4 Moore型狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)方法,交通燈的全部狀態(tài)及輸出:,畫出狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖:,S0 010100,12.4 Moore型狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)方法,S1 001100,S3 100001,S2 100010,LIBRARY IEEE; USE IEEE.STD_
8、LOGIC_1164.ALL; ENTITY jtd IS PORT( clk:IN STD_LOGIC; ZO:OUT STD_LOGIC_VECTOR(5 DOWNTO 0); END jtd;,實(shí)體設(shè)計(jì),12.4 Moore型狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)方法,ZO=“010100” WHEN pstate=s0 ELSE “001100” WHEN pstate=s1 ELSE “100010” WHEN pstate=s2 ELSE “100001”; END a;,BEGIN PROCESS(clk) BEGIN IF (clkEVENT AND clk=1) THEN CASE pstate is WHEN S0= pstate pstate pstate pstate=S0; END CASE; END IF; END PROCESS;,ARCHITECTURE a OF jtd IS TYPE STATE IS (S0,S1,S2,S3); SIGNAL pstate :STATE;,定義狀態(tài)機(jī),狀態(tài)轉(zhuǎn)換描述,輸出信號(hào)描述,小
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